恒温槽的装配和性能测试张鹏翔30 材33实验日期：2015年5月14日提交报告日期：2015年5月20日1 引言实验目的1．了解恒温槽的原理，初步掌握其装配和调试的基本技术。
2．分析恒温槽的性能，找出合理的最佳布局。
3．掌握水银接点温度计、热敏电阻温度计、继电器、自动平衡记录仪的基本测量原理和使用方法。
实验原理许多物理化学实验都需要在恒温条件下进行。
欲控制被研究体系的某一温度，通常采取两种方法：一是利用物质相变时温度的恒定性来实现，叫介质浴。
如：液氮（℃）、冰－水（0℃）、沸点水（100℃）、干冰－丙酮（-78。
5℃）、沸点萘（218℃）等等。
相变点介质浴的最大优点是装置简单、温度恒定。
缺点是对温度的选择有一定限制，无法任意调节。
另一种是利用电子调节系统，对加热或制冷器的工作状态进行自动调节，使被控图1恒温槽工作原理图对象处于设定的温度之下。
本实验讨论的恒温水浴就是一种常用的控温装置，它通过继电器、温度调节器（水银接点温度计）和加热器配合工作而达到恒温的目的。
其简单恒温原理线路如图2-1-1所示。
当水槽温度低于设定值时，线路I是通路，因此加热器工作，使水槽温度上升；当水槽温度升高到设定值时，温度调节器接通，此时线路II为通路，因电磁作用将弹簧片D吸下，线路I断开，加热器停止加热；当水槽温度低于设定值时，温度调节器断开，线路II断路，此时电磁铁失去磁性，弹簧片回到原来的位置，使线路I又成为通路。
如此反复进行，从而使恒温槽维持在所需恒定的温度。
恒温槽由浴槽、温度计、接点温度计、继电器、加热器、搅拌器等部件组成。
如图2-1-2所示。
为了对恒温槽的性能进行测试，图中还包括一套热敏电阻测温装置。
现将恒温槽主要部件简述如下。
1.浴槽浴槽包括容器和液体介质。
根据实验要求选择容器大小，一般选择10L或者20L的圆形玻璃缸做为容器。
若设定温度与室温差距较大时，则应对整个缸体保温。
以减少热量传递，提高恒温精度。
恒温槽液体介质根据控温范围选择，如：乙醇或乙醇水溶液（-60－30℃）、水（0－100℃）、甘油或甘油水溶液（80－160℃）、石蜡油、硅油（70－200℃）。
本实验采用去离子水为工作介质，如恒温在50℃以上时，可在水面上加一层液体石蜡，避免水分蒸发。
2.温度计观察恒温浴槽的温度可选择1/10℃水银温度计，测量恒温槽灵敏度则采用热敏电阻测温装置。
将热敏电阻与1/10温度计绑在一起，安装位置应尽量靠近被测系统。
3.接点温度计（温度调节器）接点温度计又称接触温度计或水银导电表，如图2-1-3所示。
它的下半段是水银温度计，上半段是控制指示装置。
温度计上部的毛细管内有一根金属丝和上半段的螺母相连，螺母套在一根长螺杆上。
顶部是磁性调节冒，当转动磁性调节冒时螺杆转动，可带动螺母和金属丝上下移动，螺母在温度调节指示标尺的位置就是要控制温度的大致温度值。
顶部引出的两根导线，分别接在水银温度计和上部金属丝上，这两根导线再与继电器相连。
当浴槽温度升高时，水银膨胀上升，与上面的金属丝接触，继电器内线圈通电产生磁场，加热线路弹簧片吸下，加热器停止加热。
随着浴槽热量的散失，温度下降，水银收缩并与上面的金属丝脱离，继电器电磁效应消失，弹簧片回到原来位置，接通加热电路，系统温度回升。
如此反复，从而使系统温度得到控制。
需要注意的是，温度调节指示标尺的刻度一般不是很准确，恒温槽温度的设定和测量需要1/10℃温度计来完成。
接点温度计是恒温槽重要部件，其灵敏度对控温精度起关键作用4.继电器继电器与加热器和接点温度计和加热器相连，组成温度控制系统。
实验室常用的继电器有晶体管继电器和电子管继电器。
典型的晶体管继电器电路如图2-1-4所示，它是利用晶体管工作在截止区以及饱和区呈现的开关特性制成的。
其工作过程是：当接点温度计T r断开时时，E c通过R k给锗三极管BG的基极注入正向电流I b，使BG饱和导通，继电器J的触点K闭合，接通加热电源。
当温度升高至设定温度，接点温度计T r接通，BG的基极和发射极被短路，使BG截至，触点K断开，加热停止。
当继电器J线圈中的电流突然变小时，会感生出一个较高的反电动势，二极管D的作用是将它短路，避免晶体管被击穿。
必须注意的是，晶体管继电器不能在高温下工作，因此不能用于烘箱等高温场合。
5.加热器常用的是电加热器。
加热器的选择原则是热容量小、导热性能好、功率适当。
加热器功率的大小是根据恒温槽的大小和所需控制温度的高低来选择的。
通常我们都在加热器前加一个和加热器功率相适应的调压器，这样加热功率可根据需要自由调节。
6.搅拌器搅拌器的选择与工作介质的粘度有关，如：水、乙醇类粘度较小的工作介质选择功率40W左右的搅拌器。
若工作介质粘度或搅拌棒的叶片较大时，应选择功率大一些的搅拌器。
7.热敏电阻测温装置用来对恒温槽的性能进行测试，测温原理见附录温度的测量与控制。
综上所述，恒温效果是通过一系列元件的动作来获得的。
因此不可避免地存在着滞后现象，如温度传递、感温元件、继电器、加热器等的滞后。
因此，装配时除对上述各元件的灵敏度有一定要求外，还应根据各元件在恒温槽中作用，选择合理的摆放位置，合理的布局才能达到理想的恒温效果。
灵敏度是恒温槽恒温好坏的一个重要标志。
一般在指定温度下，以T始、T停分别表示开始加热和停止加热时槽内水的温度（相对值），以1/2()T T T=-始停为纵坐标，时间t为横坐标，记录仪自动画出灵敏度曲线如图2-1-5。
若最高温度为T高，最低温度为T低，测得恒温槽的灵敏度图3水银接触温度计示意图图4晶体管继电器工作原理示意图为2ET TT-=±低高通过对上述曲线分析可以看出图中（a）表示灵敏度较高；（b）表示灵敏度较低；（c）表示加热功率偏大。
如果加热器功率偏小，则达不到设定的温度值。
2 实验操作实验药品、仪器型号及测试装置示意图1.仪器和药品恒温槽1套：玻璃缸、电动搅拌器D8401-ZH、1/10℃温度计、电加热器、电接点温度计、继电调压器、热敏电阻温度计、电阻箱、电桥盒、记录仪各一个。
2.测试装置示意图（如下图6所示）图6 恒温槽实验装置示意图注意，此图中的水银接点温度计已经由电接点温度计替代。
2.2实验条件表1 实验条件记录室温（℃）大气压（kPa）相对湿度（%）2053实验操作步骤及方法要点1.恒温槽的装配根据所给元件和仪器，按图2-1-2安装恒温槽，接好线路。
注意装置和实验指导书上有所不同。
搅拌器由搅拌器电源控制，电源接插座。
电加热器要接在调压器提供的插头上，而调压器要图5几种形状的灵敏度曲线接在控温盒的插头上。
电接点温度计已经连接到控温盒上了，由此形成控温闭路，控温盒直接接插座。
控温盒兼有温度计和继电器的作用。
1/10水银温度计和热敏电阻温度计已经固定在一起，热敏电阻温度计连接电桥，电桥连接记录仪，记录仪要接插座，并连接电脑。
打开电脑中的记录程序。
注意，记录程序每时每刻都在记录，无法停下，但可以从记录的数据中进行截取。
2.恒温槽的调试玻璃缸中加入去离子水，约总容积的9/10。
打开搅拌器（中速搅拌，4档）、控温盒。
控温盒已经设置好控制温度为30℃，无需再调节。
开始可将加热电压调到200V左右，待接近设定温度时，适当降低加热电压。
观察控温盒的示数（示数显示为控温温度计的读数），是否在30℃附近。
观察1/10温度计，示数也应在30℃附近。
此时调节电桥，使电桥示数在0附近（尽量减小误差，而且便于观察）。
3.温度波动曲线的测定电桥的读数实时显示在记录仪上，同时在电脑屏幕上绘出曲线。
该读数反映了热敏电阻温度计处的温度。
由于电阻与温度成正线性关系，而电阻的相对高低又可以用电桥读数来反映，因此记录电桥示数就相当于记录温度，而且精度要高。
开始记录数据。
待数个循环波形稳定后，停止记录。
这取决于波形稳定的时间长短和波形本身的周期。
4.布局对恒温槽灵敏度的影响改变各元件间的相互位置，包括水平位置和垂直位置，重复测定温度波动曲线，找出一个合理的最佳布局。
5.影响温度波动曲线的因素选定某个布局，分别改变加热电压（加热功率）和搅拌速度，测定温度波动曲线与未改变条件的温度波动曲线比较。
6.测定热敏电阻温度计的仪器常数（℃/mV）停止加热，不停止搅拌，让装置自然降温冷却。
一面观察控温盒上的温度示数，一面观察电脑上的电桥示数。
在温度下降℃前后，分别记录电桥示数，求出仪器常数。
7.实验结束保存数据，收拾实验仪器。
3 结果与讨论原始实验数据及数据的处理、计算1)热敏电阻温度计仪器常数测量结果测定热敏电阻温度计的仪器常数的数据见下表2。
表2 热敏电阻仪器常数测定数据记录起始温度（℃）终止温度（℃）温度变化（℃）电桥变化(mV)仪器常数（℃/mV）得到仪器常数是℃/mV2)恒温槽元件最佳布局的实验结果实验中恒温槽的设定温度为30℃；实验中对6种不同的恒温槽布局进行了灵敏度曲线的测定。
图案按照约定绘制。
元件旁的数字代表估计的深度位置（单位：cm）。
实验结果如下表所示：表3 恒温槽布局图及对应的灵敏度曲线和实验条件序号布局图灵敏度曲线周期T（s)灵敏度T E（℃）A185±B230±C262±D170±E 94±F124±注：（a）布局图中各符号的含义如下代表搅拌器，代表水流方向，代表加热器，代表水银接点温度计，代表热敏电阻温度计。
（b）温度波动范围为取平均值后得到的结果（c）根据计算所得的灵敏度判断，布局E的灵敏度数值最小，为最佳布局，布局F次之。
3）电压和搅拌速度对恒温槽灵敏度影响测定的实验结果实验中在保持布局F的情况下，分别对电压和搅拌速度进行了改变，测定电压和搅拌速度对恒温槽灵敏度的影响。
实验结果如下表所示（符号含义同前）：表4 恒温槽布局图及对应的灵敏度曲线、相关数据序号布局图灵敏度曲线周期（s）灵敏度T E（℃）加热电压（V）搅拌速度G106±1006档H 98±804档讨论分析1）合理的最佳布局根据如上所示的结果，在本次实验中我们得到的最佳布局为布局E，而布局F次之（见上一页表3）。
在加热电压为100V，搅拌速度4档的情况下，最佳布局的灵敏度为：T E = ±℃在加热电压为80V，搅拌速度4档的情况下，最佳布局的灵敏度为：T E= ±℃2）水槽内热流分析搅拌器的作用是让水槽内的水整体上沿一个方向流动。
但是，从水里的颗粒物可以观察到各处水流速并不均匀。
但是，靠近搅拌器的水流动较快，热量能够迅速分散均匀；远离搅拌器的水流动较慢，可以明显见到，加热器产生的热流在流动较慢的水中不能够很快扩散均匀。
再者，水槽中的水流有许多紊乱的区域，流速也绝不是与同搅拌器的距离成简单的函数关系。
本实验装置中，加热器贴近水面（平均深度5cm），而且位置无法调整。
